ALT(Accelerated Life Test) of Hydraulic Fluid with Pump Test - Lubricants Symposium 2012 hosted by KSTLE Lubricants Committee Center for Product Reliability Seungbae Baek
TABLE OF CONTENTS 1. Introduction 1.1 Background 1.2 Pump Test Method 검토 2. Test Method 2.1 Test Item & Procedure 2.2 Test Conditions 2.3 Test Items 3. Test Results 3.1 유압작동유시험결과 3.2 Pump 분해검사결과 4. Review 4.1 Failure Mode 검토 4.2 변별력검토 5. Conclusion 6. Reference
Introduction(1/2) 1.1 Background 환경친화적윤활유 ( 장수명 ) 개발필요성의지속적인증대 주요건설기계 Maker 의유압작동유장수명화 Trend S 사의경우에는 Nephron Filter System( 신장의투석원리를이용한 Filter) 을적용하여유압작동유 (EG Oil Type) 교환주기 10,000 h 적용중 10000 8000 6000 4000 유압작동유교환주기는 Field 실차평가를통해검증 Field 실차평가장기간소요 ( 교환주기 4,000 시간검증 : 약 3년 ) 시험비용 ( 인력및장비유지 Cost) 과다발생 예상하지않은시험변수발생 : 누유 ( 유압작동유보충 ), 장비 Break Down 2000 (h) 0 C K V S [ 그림.1 유압작동유교환주기비교 ] 유압작동유교환주기검증을위한새로운 Test Method 의개발필요 Pump Test 를이용하여 ALT*(Accelerated Life Test) 개념의자체 Test Method 개발추진 * 수명이긴제품을실제사용조건보다열악한조건에서시험하여짧은시간에고장데이터를얻어, 이자료로제품의실제사용조건에서의수명분포를추론하는 시험방법
Introduction(2/2) 1.2 Pump Test Methods 검토 유압작동유 Pump Test는시험목적에따라윤활특성 (Lubrication Property) 평가와산화안정성 (Oxidation Stability) 평가방법으로구분가능 - 윤활특성평가 : Pump 내부부품마모가속조건 ( 최대출력 or Pulsed Pressure) 으로내구시험후유압유분석 / Pump 분해 - 산화안정성평가 : 유압작동유산화가속조건 (Cu 촉매 + Air 강제투입등 ) 으로내구시험후유압유분석윤활특성을평가하는 Pump Test 시험조건 (ASTM D6973) 을적용하되 Test 시간을증대하여진행 [ 표.1 Pump Test Method 비교 ] 세부내용 Pump Test Lubrication Property Oxidation Stability ASTM D6973 JCMAS P044 Eaton Vickers JCMAS P045 적용 Pump 35VQ25 / Eaton Vickers (Vane Pump) HPV 35+35 / Komatsu (Piston Pump) PVH57C / Eaton Vickers (Piston Pump) A2F-10 / Uchida (Piston Pump) Pump Speed (rpm) 2400 2100 2400 1500 Pressure (MPa) 20.7 34.4 25 35 시험조건 Temperature ( ) 95 95 95 80 Oil Flow (L/min) 150 62.5-15.4 Duration (h) 150 (3 개 Cartridge X 50 h) 500 200 500 기타최대출력 Pulsed Pressure Cu Catalyst / Air 투입 주요시험항목 Fluid Analysis + Pump 분해검사 Fluid Analysis
Test Method(1/3) 2.1 Test Item & Procedure Test Item - Hydraulic Oil 1 A 2 B Test Procedure - 시료에대한 Pump Test 를각각진행 장비 Flushing Oil Cleaning Pump Break-In Durability Test Analysis - 시험준비단계 - Test Oil로유압 System (Pump포함) - 유압 System내의 Test Oil의청정도확보를위한 Filtering - ISO 4406 18/16/13 - Pump 길들이기운전단계 - 2단계로진행되며각 0.5 h 실시 - 유압작동유의성능저하현상이나타날때까지실시 - 유압작동유분석 : 매 50 h - Pump 분해검사 : 매 150 h Flushing [ 그림.2 Test Procedure]
Test Method(2/3) 2.2 Test Conditions Test Conditions( 표.2 참조 ) [ 표.2 Pump Test Conditions] Parameters Test Mode Pump Break-In Step 1 Step 2 Durability Test Pump Speed (rpm) 2,400 2,400 2,400 Outlet Pressure (MPa) 6.9 13.8 20.7 Inlet Temperature ( ) 52 79 95 Duration (h) 0.5 0.5 499 [ 그림.3 유압회로도 ] 유압 System - 시험장비의유압회로도는그림.3 참조 - Reservoir Capacity(190 L) 와 Oil Flow (150 L/min) 를고려할때, 유압작동유 Reservoir 체류시간은약 1.3 min 수준 - Filter( 그림.3의 8번 ) 사양 : β3 100 ( 여과효율 : 3 μm이상오염입자 1,000 EA에대하여 990 EA 이상포집 )
Test Method(3/3) 2.3 Test Items 유압작동유평가항목 - Pump Test 50 h 마다유압작동유시료채취하여주요항목을평가 [ 표.3 유압작동유평가항목 ] 구분 외관전산가산화안정도 Element 점도 / 점도지수 Color Varnish (TAN) (RBOT) Additive Wear Metal 31 P-NMR 매 50 h O X O O X O O X 매 100 h O O O O O O O O Pump 분해검사항목 - Pump 분해검사는 150 h 마다진행하여주요대상부품 (Cam Ring / Vane) 의무게변화량측정및마모상태확인 Cam Ring [ 그림.4 Pump 분해도및주요부품 ] Vane
3. Test Results(1/10) 3.1 유압작동유시험결과 (1) 외관 / 색상 Pump Test 시간에따라지속적으로증가하여 ASTM Color 최대값 (8) 에수렴함시료 (A) 와 (B) 의색상은일부변별력이확인되는 ( 물성저하속도의차이가있는 ) 수준 10 8 A S T M 6 A B C o l o r 4 2 0 Test Time(h) Color / A Color / B [ 그림.5 ASTM Color]
3. Test Results(2/10) (2) 외관 / Varnish* 일부 Fluctuation 은존재하나색상변화경향과유사하게 Pump Test 시간에따라전반적으로증가하는추세 시료 (A) 와 (B) 의 Varnish 결과는변별력이확인되는 ( 물성저하속도의차이가있는 ) 수준 100 80 V a r n i s h 60 40 A B 20 0 Test Time(h) Varnish / A Varnish / B [ 그림.6 Varnish] ** Varnish : 유압작동유를 Filtering 한후여과지색상을 0 ~ 100 사이의수치로표현함. 값이증가할수록어두운색상임 Varnish 는오일의열화 / 산화에의해생성되는 Oil Insoluble( 오일에녹지않는 ) 한특성을갖는부생성물로기계부품표면에얇은막의형태로존재함 Sludge( 침전물형태 )
3. Test Results(3/10) (3) 산화안정도 (RBOT) Pump Test 시간에따라지속적으로감소하는경향 시료 (A) 와 (B) 의산화안정도는변별력이존재하는 ( 성능저하속도의차이가있는 ) 수준 750 600 450 R B O T 300 (min.) 150 A A B B 0 Test Time(h) RBOT / A RBOT / B [ 그림.7 산화안정도 (RBOT)] ** A & B : 절대값사용한계수준을기준으로할경우 / A & B : 변화율사용한계수준을기준으로할경우
3. Test Results(4/10) (4) 첨가제 / Zinc Pump Test 시간에따라지속적으로감소하는경향 시료 (B) 의일부 Zn 함량증가현상은 31 P-NMR 결과에의거한계수준에도달한상태로판단시료 (A) 와 (B) 의 Zn 함량은변별력이존재하는 ( 함량저하속도의차이가있는 ) 수준 1000 800 Zn 600 (mg/l) B 400 A 200 Test Time(h) Zinc / A Zinc / B [ 그림.8 첨가제함량 (Zn)]
3. Test Results(5/10) (5) 첨가제 / Phosphorus Pump Test 완료시점까지함량변화는초기대비미미한수준 ( 최대약 -10 % 수준 ) 시료 (A) 와 (B) 의 P 함량 (ICP 분석 ) 은변별력이없음 1200 900 P 600 (mg/l) 300 0 Test Time(h) Phosphorus / A Phosphorus / B [ 그림.9 첨가제함량 (P)]
3. Test Results(6/10) (6) 31 P-NMR* 31 P-NMR : Pump Test 시간에따라 Total Useful P Antiwear** 의함량은지속적인감소경향 ( 그림.11 참조 ) 시료 (A) 와 (B) 의 31 P-NMR 결과는변별력이확인되는 ( 함량저하속도의차이가있는 ) 수준 ZDDP의작용 / 분해 Mechanism*** 과 Zn / P 함량변화관계 - ZDDP의 Zn 성분이금속표면에 1차흡착 / 결합한후, P를포함하는얇은 Film이형성되어내마모첨가제역할을수행 - 이때, 사용에의해 ZDDP가분해되면 Zn은금속표면에흡착 / 결합된형태로남게되고나머지부분은 Polymeric Thiophosphate ( ) 혹은 Polyphosphate 형태로분해되어 Oil 中으로분산됨 [ 그림.10 ZDDP 의작용 Mechanism] 1 따라서, ICP 분석을통한 Zn 함량의경우사용시간에따라지속적으로감소하는경향임 2 ICP 분석을통한 P 함량은오일내에분산된 Polyphosphate 가석출되어 Filter 에포집되지않는한미미한감소경향임 3 단, 31 P-NMR 분석을통해오일내의 P 성분가운데 Useful P(Antiwear 성능을보유한성분 ) 의함량을분석할수있음 * NMR( 핵자기공명 ) : Nuclear Magnetic Resonance의약자로핵스핀양자수 (Nuclear Spin Quantum Number) 와 Magnetic Moment를갖는특정원자핵 ( 일반적으로 1 H, 13 C, 19 F, 31 P 등이용 ) 에강력한외부자기장을걸어줄때나타나는공명현상을이용하여해당원자핵이포함된물질의정성 / 정량분석을진행하는시험방법 동일핵종이라도원자핵을둘러싼화학적구조가달라지면원자핵주변의전자밀도 / 전자궤도도달라지게되며최종적으로다른공명주파수가나타나는원리 ** Total Useful P Antiwear : 내마모성첨가제 (Antiwear Additive) 로서의역할을수행할수있는 P(Phosphorus ) 포함분자의총량 = Fresh ZDDP + Useful P Antiwear Fresh ZDDP : 분해되지않고초기형태를유지하고 ZDDP Useful P Antiwear : ZDDP 가운데일부분해되었으나여전히 Antiwear로서성능을발휘할수있는성분 / Dithiphosphate, Monothiophosphates, 다양한 Thiophosphate Salts 등 Consumed P Antiwear : Phosphates 형태로완전히분해되어더이상 Antiwear로작용할수없는성분 *** Appendix. A3 Anti-Wear in Hydraulic Fluids 참조
3. Test Results(7/10) (6) 31 P-NMR(Cont.) 120 시료 (A) 90 % 60 30 A 0 120 시료 (B) 90 % 60 30 B 0 Fresh ZDDP Useful P Consumed P Total Useful P [ 그림.11 31 P-NMR]
3. Test Results(8/10) (7) 첨가제 / Sulfur* Test 가동시간경과에따라지속적으로감소하는경향임 시료 (A) 와 (B) 의 S 함량저하속도측면에서변별력을확인할수있는수준 1500 1200 S (mg/l) 900 600 B A 300 Test Time(h) Sulfur / A [ 그림.12 첨가제함량 (S)] Sulfur / B * Sulfur : 유압작동유에적용되는다수의첨가제 (ZDDP, 산화방지제, 부식방지제등 ) 에공통적으로포함된성분임
3. Test Results(9/10) 3.2 Pump 분해검사결과 (1) 마모상태 ( 매 150 h) Pump Test 시간에따라 Cam Ring 마모현상 ( 내부표면 Polishing / 토출부미세 Pitting / 특정부 Step-Wear) 발생단, Vane은상대적으로양호한상태임 Step-Wear 현상이진전될수록최종 Pump Failure( 초기대비 Pump 토출유량 10 % 이상저하 ) 가발생시료 (A) 와 (B) 의변별력이확인되는 (Pump Failure 발생시점차이가있는 ) 수준 시료 A : Pump Test 최종 시료 B : Pump Test 최종 Cam Ring Step-Wear Step-Wear Vane [ 그림.13 Pump 분해사진 ]
3. Test Results(10/10) (2) 무게변화 ( 매 150 h) Cam Ring 및 Vane의무게감량은 Pump Test 시간에따라지속적으로증가하는경향, Pump Failure 발생시점에서급격히증가하는특징시료 (A) 와 (B) 의무게변화는변별력이확인되는 ( 무게감량속도의차이가있는 ) 수준 500 400 300 Weight Loss (mg) 200 A 100 B 0 Test Time(h) Cam Ring / A Vane / A Cam Ring / B Vane / B Total / A Total / B [ 그림.14 무게변화 ]
4. Review(1/2) 4.1 Failure Mode 검토 Pump Test & Field Test 유압작동유시험항목별변화 Pump Test(Modified ASTM D6973) Field Test( 실차평가 ) 점도 / 점도지수 전산가 가동초기에미세저하 (5 % 이내 ) 완료시점까지동일수준유지 완료시점까지변화정도는미미한수준 : 최대 0.5 mgkoh/g 이내 가동초기일부점도저하 완료시점까지사용한계수준이내유지 완료시점까지변화정도는미미한수준 ASTM Color 지속적증가하여 ASTM Color 최대값 (8) 에수렴 지속적인증가경향 산화안정도 (RBOT) 첨가제함량 (Zn / Ca / P) 금속마모분 (Fe / Cu) 지속적으로감소하여사용한계수준초과 Zn / Ca 은지속적으로감소하여한계수준초과 P 는완료시점까지변화량은미미한수준 (- 10 %) Fe 마모분발생량은미미한수준 (3 mg/l 이하 ) Cu 마모분발생량은일부증가하나최대 15 mg/l 사용한계수준에근접하는수준까지지속적으로감소 Zn / Ca / P 모두지속적인감소경향으로사용한계수준초과 가동시간경과에따라증가경향 Fe / Cu 최대 50 mg/l 이상 전반적인유압작동유의물성 / 성능저하경향은 Pump Test 와 Field 실차 Test 에서유사한 Trend 로나타남 : 첨가제 (ZDDP/Oxidation Inhibitor) 함량저하및색상변색이두드러지며, 기유 ( 점도 / 점도지수 ) 물성저하는미미한수준 금속마모분발생량 / 경향차이는적용된 Pump Type 및시험대상 (Pump vs. 유압 System) 차이에의한것으로판단됨
4. Review(2/2) 4.2 변별력검토 점도 / 전산가등을제외한전반적인시험항목에서시료 (A) 와 (B) 의변별력은확인가능함 각시험항목별로추정가능한시료 (A) 대비시료 (B) 의수명은약 1.1 ~ 3.3 높은수준단, 항목별변별력및중요도고려시상대적인비교수명은약 1.6 ~ 2.5 수준 시료 (A) 와 (B) 의교환주기를실제수명으로가정할경우비교수명은 2( 배 ) 따라서, Pump Test Method의추정비교수명은타당성을갖는 ( 변별력이확보된시험방법 ) 수준으로판단됨 [ 표.4 비교수명결과요약 ] 시험항목 구분 Pump Test 시험결과 변별력중요도 Remarks 비교수명계산 = (B) / (A) 외관 ASTM Color O - 1.1 ~ 1.3 Varnish Fluctuation 2.75 점도 / 점도지수 X O - - 전산가 (TAN) X - - 산화안정도 (RBOT) O O - 1.75~1.85 Zn O O - 2.5 첨가제함량 Ca 미량적용 ( 최대 140 mg/l) 2.5 ~ 3.3 P X O - - S O O 한계수준추가 1.8 ~ 2.0 금속마모분 Fe X O - - Cu O 절대값낮음 2.3 31 P-NMR Total Useful P O O 한계수준추가 1.6 Pump Failure O O - 2.4
5. Conclusion Pump Test Method Pump Test Results ü ASTM D6973 : Standard Test Method for Indicating Wear Characteristics of Petroleum Hydraulic Fluids(35VQ25A) ü 유압회로구성및진행유의사항은해당규격의제시조건에준함단, 시험시간은 Pump Failure 발생시 ( 유량 132.5 L/m 이하로저하 ) 까지지속함 ü 대상시료 : Hydraulic Oil (A), Hydraulic Oil (B) ü 유압작동유분석결과 - 색상변색 / 첨가제 (ZDDP/Oxidation Inhibitor) 함량저하현상이두드러짐 - 기유 ( 점도 / 점도지수 ) 자체의물성저하는미미한수준 ü Pump 분해검사결과 - Test 시간경과에따라 Cam Ring 마모현상이나타나며, Cam Ring Step-Wear 현상이진전될수록최종 Pump Failure 발생 ü 유압작동유 Failure Mode : - 전반적인유압작동유의물성 / 성능저하경향은 Pump Test 와 Field 실차 Test 에서유사한 Trend 임 ü Test Method 변별력 Implications - 시료 (A) 와 (B) 의각시험항목별로추정가능한비교수명은약 1.1 ~ 3.3 수준 - 항목별변별력및중요도고려시시료 (A) 와 (B) 의상대적인비교수명은약 1.6 ~ 2.5 수준 시료 (A) 와 (B) 의교환주기를실제수명으로가정할경우비교수명은 2( 배 ) ü Pump Test Method의추정비교수명은타당성을갖는 ( 변별력이확보된시험방법 ) 수준으로판단됨 ü Pump Test를통해개발유압유 ( 교환주기연장 ) 에대한사전수명확인이가능할것으로기대됨
Reference 6. Reference - ASTM D6973 Standard Test Method for Indicating Wear Characteristics of Petroleum Hydraulic Fluids - JCMAS-P044 Evaluation Method for Lubrication Property in High Pressure Piston Pump - JCMAS-P045 Test Method for Indicating Oxidation Stability in High Pressure Piston Pump - Vickers PVH57 Test Procedure to Evaluate Fluids in Open Loop Axial Piston Pumps - The History and Mechanism of ZDDP _Tribology Letters, Vol.17 - The Chemistry of the Thermal Degradation of Zinc Dialkyldithiophosphate Additives _ASLE, Vol.24
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